[科普中国]-二氧化碳封存技术

释义

二氧化碳封存是指将大型排放源产生的二氧化碳捕获、压缩后运输到选定的地点长期保存，而不是释放到大气中。二氧化碳的封存技术尤其是地质封存正得到越来越多的关注与研究，美国、欧盟、日本、澳大利亚等都制定了相应的研究规划，开展二氧化碳封存技术的理论、试验、示范以及应用研究。1

运输条件把捕集到的CO2输送到利用或者封存地点，需要根据系统的具体条件、要求、输送量等选择适当的运输方式。CO2的运输状态可以是气态、超临界状态、液态、固态，但是从大规模运输的可行性来看，流体态（气态、超临界和液态）CO2便于大规模运输，管道运输通常采用超临界状态。目前已经实践过的CO2运输方式主要有管道运输、轮船运输和罐车运输。这三种运输方式适合不同的运输场合与条件。管道运输适合大容量、长距离、负荷稳定的定向输送。轮船适合大容量、超远距离、靠近海洋或江河的运输。罐车运输适用于中短距离、小容量的运输，其运输相对灵活。

封存技术目前，较大规模的CO2封存方式主要有地质封存、地表封存和海洋封存三大类。

地质封存地质封存的基本原理就是模仿自然界储存化石燃料的机制，把CO2封存在地层中，CO2可经由输送管线或车船运输至适当地点后，注入特定地质条件及特定深度的地层中。目前所提出适合作CO2地质封存的地质条件，包含旧油气田、难开采煤层、深层地下水层等地质环境。

比较理想的地质封存环境是无商业开采价值的深部煤层（同时促进煤层天然气回收）与油田（同时促进石油回收）、枯竭天然气田、深部咸水含水地层。在每种类型中，CO2的地质封存都将CO2压缩液注入地下岩石构造中。封存深度一般要在800m以下，该深度的温压条件可使CO2处于高密度的液态或超临界状态。二氧化碳埋藏其间的时间跨度为数千年甚至上万年，为防止二氧化碳在压力作用下返回地表或向其他地方迁移，地质构造必须满足盖层、储集层和圈闭构造等特性，方可实现安全有效埋藏。

常规地质圈闭构造包括油田、气田和不含烃的储气层（主要是深部含盐水层）三种。对于前两种，由于熟悉已开采油气田的构造和地质条件，利用它们来储存CO2相对容易。利用含盐水层储存有两个优点：一是含盐水层的圈闭构造比油田和气田更普遍；二是在含盐水层中可能有一些适于储存CO2的巨大储气构造。此外，还有一点不同的是，CO2注入含盐水层后，经过流体力学的反应，可在含水地层中稳定上万年，矿物地层和和富含CO2的含水层之间发生化学反应，使CO2转化为无害的碳酸盐沉淀下来，可以保存上百万年。

非常规地质圈闭构造的处理包括海上与陆地两部分，利用非常规地质圈闭构造来储存CO2也是有效的方法。可能的地质构造或结构包括玄武岩、盐穴、废弃矿井以及深海海底，都是潜在的封存CO2地点的选择对象，在沿岸和沿海的沉积盆地中也可能存在合适的封存构造，有充分渗透性且以后不可能开采的煤炭，也可能用于封存CO2，此外，把CO2埋存在地下深部的不可采深煤层还能增加煤层气的产量。2

地表封存地表封存的基本原理是使CO2与金属氧化物进行化学反应，形成固体形态的碳酸盐及其他副产品。地表封存所形成的碳酸盐，也是自然界的稳定固态矿物，可在很长的时间中提供稳定的CO2封存效果。CO2地表封存的可行性取决于封存过程所需提供的能量成本、反应物的成本以及封存的长期稳定性三个因素。每封存1t的CO2约需要1.6～3.7t含碱土金属的硅酸盐岩石，并会产生2.6～4.7t的废弃物。一旦CO2经地表封存为碳酸盐矿物后，其封存稳定性可高达千年以上，相对于地质、海洋等其他封存机制，其封存后的监管成本较低。整体而言，CO2地表封存技术尚未成熟，高操作成本、矿业开采作业对环境的影响等议题，是后续研究的重点。3

海洋封存海洋封存的基本原理是利用海洋庞大的水体体积及CO2在水体中不低的溶解度，使海洋成为封存CO2的容器。目前海水中所含碳的总量约为大气层的50倍，植物及土壤中总和的20倍。CO2海洋封存的潜在容量远大于化石燃料的含量，海水能自大气层吸收CO2的潜在能力，取决于大气层的CO2浓度和海水的化学性质。而吸收速率的高低，则取决于表层及深层海水的混合速率。海洋每年要吸收约70×10t CO2，受限于表层及深层海水间的缓慢对流，目前，仅在大约1000m深的海洋水体中发现了因人类活动所排放CO2的证据。就阻隔CO2返回大气层而言，灌注深度越深隔离效果越好。目前，CO2的海洋封存都是把CO2灌注于海洋的斜温层以下，以期获得更好的封存效果。被灌注到深海中的CO2，可以是气态、液态、固态或水合物形态，不同灌注形态CO2的溶解速率会有差别。增加海水中CO2的浓度，会对海洋生物造成不利的影响，例如降低生物钙化、繁殖及成长速率、迁移能力等。虽然CO2海洋封存已历经近30年的理论发展、试验室试验和小规模现场测试以及模式模拟研究，但截至目前为止，尚缺乏大规模CO2海洋封存的操作实例。

一个潜在的CO2封存方案是将捕获的CO2直接注入深海，深度在1000m以上，大部分CO2在这里将与大气隔离若干世纪。该方案的实施办法是：通过管道或船舶将CO2运输到海洋封存地点，从那里再把CO2注入海洋的水柱体或海底。被溶解和消散的CO2随后会成为全球碳循环的一部分。